人因工程 人机系统及其分析评价

第十六讲人机系统及其分析评价

通过本讲的学习，应能够：

1．阐述人机系统得定义；

2．阐述人机系统的基本模式；

3．说明人机系统的关系及其演变过程；

4．阐述人机系统中，人、机的优势和劣势；

5．解释人机功能界限；

6．阐述人机系统的分类；

7．解释人机系统分析评价的基准；

8．使用连接分析方法评价人机系统；

9．使用海洛德分析评价法评价人机系统。

一、人机系统概述

1．人机系统的定义

人机系统是相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。

人：是指机器的操作者或使用者；

机器：是指人所操纵或使用的各种机器、设备、工具等的总称。

研究人机系统时．既要研究子系统各自的特点和功能，还要研究它们之间相互形成的有机整体的功能。研究人机系统的设计和改进，都是以具体的人机系统为对象的，例如由人与汽车、人与机床、人与计算机、人与家电、人与工具等构成特定的人机系统。

由于人的工作能力和效率随周围环境因素而变化，任何人机系统又都处于特定环境之中，所以在研究人机系统时，应当把环境当做一个重要因素来考虑。把人、机、环境三者之间相互联系、相互作用构成的整体系统称为人一机一环境系统。环境因素包括照明、噪声、振动、温度、湿度、空气、颜色、工作地、工作空间以及一切影响人机系统的因素。

2．人机系统的基本模式

（1）人机系统基本模式：由人的子系统、机器的子系统和人机界面所组成。图16．1为人机系统基本模式。人的子系统可概括为S—O—R(感受刺激一大脑信息加工一做出反应)；机器的子系统可概括为C—M—D(控制装置一机器运转一显示装置)。

在人机系统中，人与机器之间存在着信息环路．人机相互具有信息传递的性质。系统能否正常工作，取决于信息传递过程能否持续有效地进行。

（2）人的子系统

人的于系统又分为S—O系统和O—R系统。S—O系统由各种感觉器官(视觉、听觉、触觉等)与大脑中枢组成，由传入神经作为联络纽带。这个系统的任务是收集信息、发现问题，并传递到大脑进行加工整理，即判断和决策。对输入的信息，有的只需要存储记忆或分析判断，不必启动。一只系统做出直接反应；有的则要求动用O—R系统做出相应反应。O—R系统由大脑中枢与运动器官(手、脚、肢体、声带等)组成，由传出神经作为联络纽带。

（3）机的子系统

机器子系统分为C—M系统和M—D系统。C—M系统由控制器和机器的转换机构(或计算机主机板)组成。这个系统的任务是使机器接受操作者的指令，实现机器运转、调控，把输入转换为输出。M—D系统由机器的转换机构和显示器组成。这个系统的任务是反映机器运行过程和状态的信息。

有些功能简单的机器子系统，不一定都具备C—M系统和M—D系统。有的只有C—M系统，如自行车等，M—D系统可以看作是借助于人的直观感觉或测试工具实现的。有的只有M—D系统，如某种信息显示仪表等，C—M系统可以看作是人获得显示信息后的某种反应行为。

（4）人机界面

如图16．1所示，人机信息交流发生的作用面，通常称为人机界面。显示器将机器工作的信息传递给人．人通过各种感觉器官接受信息，实现机一人信息传递。大脑对信息进行加上、决策，然后做出反应，通过控制器传递给机器，实现人一机信息传递。

人机界面的设计，主要是指显示器、控制器以及它们之间关系的设计。人机界面设计的目的是实现人机系统优化，即实现系统的高效率、高可靠性、高质量，并有益于人的安全、健康和舒适。因此，人机界面必须符合人机信息传递的规律和特性，设计的主要依据始终是系统中的人的因素。

二、人机关系及其演变

人机关系是指人一机一环境系统中人与机器这两个主要要素之间的相互关系。（1）人机关系变化形式

（2）人机关系变化趋向：

z随着机器的功能和技术装备水平的提高，使人对机器运行状况的了解和操纵变得越来越复杂；

z技术进步大大减轻了作业者的体力消耗，但在脑力和心理上的负担加重了；z生产过程中信息在时间和空间上密集提高了；

z要求作业者的工作反应速度和准确性越来越高；

z人直接参与自然物质的加工过程减少了；

z远离加工客体的监视和管理的工作增多了。

三、人与机器的功能比较和分配

1．人机特性比较

设计和改进人机系统，首先必须考虑人和机器各自的特性。根据两者的长处和弱点，确定最优的人机功能分配。表16.2是人与机器的特性对照比较表。

2．人机功能分配

(1)人优于机器的功能

①在感知觉方面，人的某些感官的感受能力比机器优越。例如，人的视觉器官可以发现只有几个光量子的微光，听觉器官对音色的分辨力以及嗅觉器官对某些化学物质的感受性等，都优于机器。人的感知觉还具有机器很难实现的恒常性，即当距离、视角、照度等条件改变时，人对颜色、形状和大小等的感知觉具有相对固定性，因而人对图像的识别能力远胜过机器。

②人能运用多种通道接受信息，当一种信息通道有障碍时可用其他通道补偿。而机

器只能按设计的固定结构和方法输入信息。

③人具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。人能根据情境改变上作方法，能学习和适应环城，能应付意外事件和排除故障，而机器应付偶然事件的程序是非常复杂的。因此，任何高度复杂的自动系统都离不开人的参与。

④人能长期大量储存信息，并能随时综合利用记忆信息进行分析和判断。

⑤人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工作的能力：而机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序工作。

⑥人能进行归纳推理。在获得实际观察资料的基础上，归纳出一般结论，形成概念，并能创造发明。

⑦人的最重要特点是有感情、意识和个性，具有能动性，能继承人类历史、文化和精神遗产。人在社会生活中，接受社会的影响，有明显的社会性。

(2)机器优于人的功能

①机器能平稳而准确地运用巨大动力，其功率、强度和负荷的大小可随需要而定。而人受身体结构和生理特性的限制，可使用的力量较小。

②机器动作速度快，信息传递、加工相反应的速度快。人的操作活动较快的反应频率为每秒l一2次，对于复杂的动作反应所需时间更长，远不能与机械、计算机相比。

③在感受外界作用和操作方面，机器的精度高，产生的误差可随机器精度提高而减小。而人的操作精度不如机器，对刺激的感受也有限。如在—定刺激强度范围内，对重量的分辨量约为3％，对长度的分辨量约为1％o

④机器的稳定性好，可终日不停地重复工作，不会降低效率，不存在疲劳和单调问题。人的工作易受身心因素和环境条件等影响，因此在感受外界作用和操作的稳定性方面不如机器。

⑤机器的感受和反应能力一般比人高。如机器可以接受超声、辐射、微波、电磁波和磁场等信号；还可以做出人做不到的反应，如发射电讯信号、发出激光等。

⑥机器能同时完成多种操作，而且可以保持较高的效率和准确度。人一般只能同时完成1—2项操作，而且两项操作容易相互干扰，难以持久地进行。

⑦机器能在恶劣的环境条件下工作。加在高压、低压、高温、低温、超重、缺氧、辐射、振动等条件下，机器可以很好地工作，而人则无法耐受。

（3）人与机器功能的基本界限

人的基本界限包括：准确度界限；体力界限；动作速度界限；知觉能力界限。

机器的基本界限包括：机器的性能界限；机器的正常动作界限；机器判断能力界限；费用界限。

（4）人机功能分配原则

z费力、快速、持久、可靠性高、精度高、程序固定、操作复杂和环境条件差的工作，都适合于由机器来承担；

z研究、决策、编程序、发指令、做工精细、检查、监视、管理、维修、处理故障相应付不测等利用脑力和感官的工作都应该由人来承担。

人机匹配除合理分配人与机器的功能外，实现人和机器的相互配合也是很重要的。一方面需要人监控机器，即使是完全自动化的系统也必须有人监视。机器一旦出现异常情况，必须由人来手动操纵。如高速火车的中央控制系统，在出现异常时必须由人做出判断，下达指令，使系统恢复正常。另一方面需要机器监督人，以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。人会经常出现失误，在系统中放置相应的安全装置非常必要，如火车的自动停车装置等。

四、人机系统的类型

1．按有无反馈控制分类

反馈是指系统的输出量与系统输入量结合后至新对系统发生作用。按反馈分类，有开环人机系统和闭环人机系统。

(1)开环人机系统

开环人机系统是指系统中没有反馈回路，或输出过程也可提供反馈的信息，但无法用这些信息进一步直接控制操作，即系统的输出对系统的控制作用没有直接影响。如操纵普通车床加工工件，就属于开环人机系统。

(2)闭环人机系统

闭环人机系统是指系统有封闭的反馈回路，输出对控制作用有直接影响。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床加工工件，再配上质量检测构成反馈，则称为人工闭环人机系统；若由自动控制装置来代管人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统。

2．按系统自动化程度分类

(1)人工操作系统

这类系统包括人和—些辅助机械及手工工具。由人提供作业动力，并作为生产过程的控制者。如图16．2(a)所示，人直接把输入转变为输出。

(2)半自动化系统

这类系统由人控制具有动力的机器设备、人也可能为系统提供少量的动力，对系统做某些调整或简单操作。在闭环系统中反馈的信息，经人的处理成为进一步操纵机器的依据，如图16．2(b)所示。这样不断地反复调整，保证人机系统得以正常运行。

(3)自动化系统

这类系统中信息的接受、储存、处理和执行等工作全部由机器完成，人只起管理和监督作用，如图16．2(c)所示，系统的能源从外部获得，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试等。为了安全运行，系统必须对可能产生的意外情况设有预报反应急处理的功能。值得注意的是，不应脱离现实的技术、经济条件过分追求自动化，把本来一些适合于人操作的功能也自动化了，其结果引起系统的可靠性相安全性下降，人与机器不相协调。

3．按人机结合方式分类

按人机结合方式可分为人机串联，人机并联和人机混联三种方式。

(1)人机串联

(2)人机并联

人机并联结合方式，如图16．3(b)所示。作业时人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅，如表16．1中的半自动化和自动化形式，就是人机并联为主。这种结合方式，人与机的功能有互相补充的作用，如机器的自动化运转可弥补人的能力特性的不足。但是人与机结合不可能是恒常的，当系统正常时机器以自动运转为主，人不受系统的约束；当系统出现异常时，机器由自动变为手动，人必须直接介入到系统之中，人机结合从并联变为串联，要求人迅速而正确地判断和操作。

(3)人与机混联

示意图如图16．3(c)所示。这种结合方式有多种多样，实际上都是人机串联和人机并联的两种方式的综合，往往同时兼有这两种方式的基本特性。

五、人机系统分析与评价

1．系统评价基准

人：由于人机系统中人的绩效是很难测定的，因此通常采用人的生理、生化指标、主观评价值、错误率、事故率等作为评价标准。例如在作业时人的心率若超过心率基准值，则人机系统的价值就低。

系统：系统的可靠性、有效性、可控性、灵活性、可维修性、操作性、适应性、实用性、安全性、稳定性、持续性、简单性、兼容性等。

2．连接分析法

（1）连接及其表示方法

定义：连接是指人机系统中，人与机、机与机、人与人之间的相互作用关系。

连接形式

根据连接主体分：人一机连接、机一机连接和人一人连接。人一机连接是指作业者通过感觉器官接受机械发出的信息或作业者对机械实施控制操作而产生的作用关系；机一机连接是指机械装置之间所存在的依次控制关系；人一人连接是指作业者之间通过信息联络，协调系统正常运行而产生的作用关系。

根据工作时所利用的感觉特性不同，连接还可以分为视觉连接、听觉连接、控制连接等。

按连接性质，人机系统的连接方式主要有两种，即对应连接和逐次连接。

①对应连接

对应连接是指作业者通过感觉器官接受他人或机器装置发出的信息或作业者根据获得的信息进行操纵而形成的作用关系。例如，操作人员观察显示器后，进行相应的操作。这种以视觉、听觉或触觉来接受指示形成的对应连接称为显示指示型对应连接；操作人员得到信息后，以各种反应动作操纵各种控制装置而形成的连接称为反应动作型对应连接。

②逐次连接

人在进行某—作业过程中，往往不是一次动作便能达到目的，而需要多次逐个的连续动作。这种由逐次动作达到一个目的而形成的连接称为逐次连接。

连接的表示方式：连接由连接关系图表示。连接分析通过连接关系进行。人机系统中的各种要素均用符号表示，其中圆圈表示作业者；方框表示控制装置、显示装置。方框与圆圈的对应关系根据连接形式用不同的线条进行连接。实线表示操作连接，点划线表尔视觉观察连接，虚线表示听觉信息传递连接。

（2）连接分析的作用

连接分析是指综合运用感知类型(视、听、触觉等)、使用频率、作用负荷和适应性，分析评价信息传递的方法。

根据视看频率、重要程度，运用连接分析合理配置显示器与操作者的相对位置，以求达到视距适当，视线通畅，便于观察；

根据作业者对控制器的操作频率、重要程度，通过连接分析将控制器布置在适当的区域内，以便于操作，提高操作准确性；

连接分析通过设备之间的连接关系使设计者合理配置设备位置，降低物流指

数。

可见，连接分析的作用是合理配置各子系统的相对位置及其信息传递方式，减少信息传递环节，使信息传递简洁、通畅，提高系统的可靠性和工作效率。

（4）连接分析的步骤及优化原则

①运用一定的符号列出包括设备和操作人员在内的人机系统的主要因素。其中作业者用圆圈表示，机器设备用方框表示。

②确立连接形态，绘制连接关系图。图19．1为一连接分析图，图中作业者③，①，④分别对显示器和控制装置C，A，D进行监视和控制，作业者②对显示器C，A，B的显示内容进行监视，并对作业者③，①，④发布指示。图中点划线表示视觉连接，即作业者对显示器进行监视，实线表示作业者对控制器的操作控制，即操作连接；虚线表示听觉信息传递连接。

（3）运用优化原则，重新调整各要素位置，使人、机、空间得到合理配置。

在连接分析中，通常用以下原则进行优化；

(1)尽量使连接不交叉或减少交叉环节。在连接关系图中，常常会发生初步绘制的各要素之间的连接多处交叉，造成线路不畅，局部配置拥挤现象，此时，可通过调整人、机关系及其相对位置，尽量减少交叉环节，达到优化配置状态。

(2)综合评价原则。对于较复杂的人机系统，仅使用上述原则很难达到理想的效果。必须同时引入系统的“重要程度”和“使用频率”两个因素进行分析优化。

①相对重要性。请有经验的人员确定连接的相对重要程度，一般采取打分法。

②使用频率。按使用频率的大小对连接进行评价。

⑤综合评价。将相对重要性和使用频率两者相对值之乘积作为综合评价值，将评价值大的相互靠近配置。

3．连接分析法的应用

4．海洛德分析评价法

Human Error and Reliability Analysis

Logic Development ，HERALD 法，即人的失

误与可靠性分析逻辑推算法。通过求出人们在

执行任务时成功与失败的概率，然后进行系统

评价。如图19．10所示，人的水平视线上下各150的正常视线的区域是最不易发生错误而易于看清的范围。因此，在该范围内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小，而成功的概率大，离开该范围越远．则误读率与误操作率将增大。因此，在海洛德法中规定了包含有上述不可靠概率的劣化值。

根据人的视线，把向外的区域每隔150划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值D e，如表19．1所示。

式中P——有效作业概率；

D ei———各仪表放置位男对应的劣化值。

例如，仪表室显示控制板装有6种仪表，其中有5种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线500的位置上，求操作人员有效工作概率P。